*** 作系统实验报告12：线程2

*** 作系统实验报告12 实验内容

• 实验内容：线程（2）。
  • 编译运行课件 Lecture14 例程代码：
    • Algorithms 14-1 ~ 14-7.
  • 比较 pthread 和 clone() 线程实现机制的异同
  • 对 clone() 的 flags 采用不同的配置，设计测试程序讨论其结果
    • 配置包括 COLNE_PARENT, CLONE_VM, CLONE_VFORK, CLONE_FILES, CLONE_SIGHAND, CLONE_NEWIPC, CLONE_THREAD

实验环境

• 架构：Intel x86_64 (虚拟机)
• *** 作系统：Ubuntu 20.04
• 汇编器：gas (GNU Assembler) in AT&T mode
• 编译器：gcc

技术日志 编译运行课件 Lecture14 例程代码 Thread Local Storage 线程局部存储（TLS）

实验内容原理：

• 线程本地存储（TLS）允许每个线程拥有自己的数据副本。
• 当我们无法控制线程创建过程时，TLS很有用。
  • 我们不能向创建的线程传递任何参数。
  • 例如，使用线程池时。
• TLS不同于局部变量。
  • 局部变量仅在单个函数调用期间可见。
  • TLS在函数调用中是可见的。
• 与静态数据类似：
  • TLS对每个线程都是唯一的。
• TLS的实施
  • __thread int tlsvar；//每个线程都有一个变量tlsvar；由语言编译器解释，是TLS的语言级解决方案
  • 通过pthread_key_create()函数

其中实验中用到的函数有：

int pthread_key_create(pthread_key_t *key, void (*destructor)(void*));

pthread_key_create函数用来创建线程私有数据，从TSD池中分配一个值赋给key以后使用。

第一个参数为一个pthread_key_t *类型的指针，pthread_key_t是宏定义typedef unsigned int pthread_key_t，参数指向一个这个类型的变量。

第二个参数指向一个destructor即清理函数，如果这个参数为NULL，那么系统会自动调用默认的清理函数，释放第一个参数key指向的内存块，否则使用指定的清理函数释放内存块。

创建了key后，所有线程都可以访问这个值，但是每个线程可以使用不同的值，相当于一个同名但不同值的全局变量。

int pthread_setspecific(pthread_key_t key, const void *value);

pthread_setspecific()函数用来给指定的线程特定的数据键值设置属于这个线程的特定键值，第一个参数key代表要设定的数据键值，第二个参数value指向设置给key的特定键值。

void *pthread_getspecific(pthread_key_t key);

pthread_getspecific()函数用来获取指定线程的特定键值，其中参数key代表要获得的特定键值，返回一个指向这个键值的指针。

int pthread_key_delete(pthread_key_t key);

pthread_key_delete()函数用来销毁线程特定数据键值，释放与该键值相关的所有内存，其中参数key代表要销毁的特定数据键值。

• 验证实验alg.14-1-tls-thread.c

执行程序命令：

gcc alg.14-1-tls-thread.c -pthread
./a.out

分析：

可以看到，主线程和两个子线程异步执行，每个线程中的__thread int类型变量tlsvar的值都是独立的，互不影响，说明每个线程包括主线程都有它的局部存储数据副本，即变量tlsvar。

实现细节解释：

一开始使用语句pthread_create(&tid1, NULL, &thread_worker, para1)和pthread_create(&tid2, NULL, &thread_worker, para2)创建两个线程，这两个线程运行的函数相同，在线程运行函数中：

static void* thread_worker(void* arg)
{  
    char *param = (char *)arg; 
    int randomcount;

    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        randomcount = rand() % 100000;
        for (int k = 0; k < randomcount; k++) ;
        printf("%s%ld, tlsvar = %d\n", param, gettid(), tlsvar);
        tlsvar++; /* each thread has its local tlsvar */
    }
    
    pthread_exit(0);

}

传入的参数arg用来分隔不同的线程的打印情况，比如主线程在第一列，tid1对应的线程在第二列，tid2在第三列，便于显示美观

然后进入一个for循环，循环5次，每次随机等待一定时间后，打印线程号和变量tlsvar的值，最后返回。

参数param指向的是传递的参数argv[1]，sum是全局变量，函数的作用是对1到参数之间的所有正整数进行求和并把结果保存在全局变量sum里，最后使用语句pthread_exit(0)返回值为0。

在主线程中，创建了两个线程之后，继续异步执行，也进入一个for循环，循环5次，每次随机等待一定时间后，打印线程号和变量tlsvar的值，最后休眠1s，等待两个子线程结束后，程序结束。

• 验证实验alg.14-2-tls-pthread-key-1.c

执行程序命令：

gcc alg.14-2-tls-pthread-key-1.c -pthread
./a.out

分析：

可以看到，不同的fp_log指针指向的不同的文件流可以对应同一个线程私有变量log_key的值。

调用系统命令lsof +d ./log输出./log目录及目录下所有打开的文件和目录，可以看到，在pthread_key_create()函数中指定的清理函数close_log_file已经将文件全部关闭，文件./log/thread-1.log到./log/thread-5.log中的信息对应静态变量thcnt1到5不同的值。

实现细节解释：

一开始使用语句pthread_key_create(&log_key, &close_log_file)在主线程中创建pthread_key_t类型线程私有变量log_key，并指定close_log_file()为清理函数，作用是关闭文件流并刷新所有的缓冲区。

然后进入一个for循环，使用pthread_create(&tids[i], NULL, &thread_worker, NULL)语创建n个线程，这里n为5，线程运行函数为：

static void *thread_worker(void *args)
{
    static int thcnt = 0;
    char fname[64], msg[64];
    FILE *fp_log; /* a local variable */
    
    sprintf(fname, "log/thread-%d.log", ++thcnt);  /* directory ./log must exist */
    fp_log = fopen(fname, "w");
    if(!fp_log) {
        printf("%s\n", fname);
        perror("fopen()");
        return NULL;
    }

    pthread_setspecific(log_key, fp_log); /* fp_log is associated with log_key */

    sprintf(msg, "Here is %s\n", fname);
    write_log(msg);
}

在线程运行函数中， 首先将文件路径名写入变量fname中，根据不同thcnt值文件路径名不同，这里文件名为log/thread-1.log到log/thread-5.log，使用语句fopen(fname, "w")在./log文件目录下创建文件，若文件已存在，那么将内容清空，文件只允许写。

接着使用pthread_setspecific(log_key, fp_log)语句设置当前线程中的log_key与fp_log相关联

然后将语句Here is和fname中的内容写入字符串msg中，然后使用write_log(msg)，这个函数如下：

void write_log(const char *msg)
{	
    FILE *fp_log;
    fp_log = (FILE *)pthread_getspecific(log_key); /* fp_log is shared in the same thread */
    fprintf(fp_log, "writing msg: %s\n", msg);
    printf("log_key = %d, tid = %ld, address of fp_log %p\n", log_key, gettid(), fp_log);
}

在write_log()函数中， 首先使用语句fp_log = (FILE *)pthread_getspecific(log_key)获取当前线程中log_key的内容，并转换为FILE *类型赋给变量fp_log，此时write_log()函数中fp_log指向的内容即之前线程运行函数thread_worker()中变量fp_log指向的内容，即文件log/thread-1.log到文件log/thread-5.log，然后使用语句fprintf(fp_log, "writing msg: %s\n", msg)向fp_log指向的文件流中写入信息，然后打印当前线程的log_key的值，线程号，以及fp_log指向的文件流的地址。

回到主函数中， 使用pthread_join()函数使主线程等待所有子线程结束后再运行，子线程全部结束后，使用语句pthread_key_delete(log_key)释放log_key的内存空间，然后调用系统命令lsof +d ./log输出./log目录及目录下所有打开的文件和目录，最后调用系统命令cat ./log/thread-1.log ./log/thread-5.log查看./log/thread-1.log和./log/thread-5.log文件中的内容。

• 验证实验alg.14-3-tls-pthread-key-2.c

执行程序命令：

gcc alg.14-3-tls-pthread-key-2.c -pthread
./a.out

分析：

可以看到，无论是处在线程栈区的临时变量还是处在堆区动态内存分配的结构体变量，都可以和pthread_key_t类型的线程私有变量tls_key绑定，线程调用其它函数的时候也可以使用这个结构体变量的内容。

实现细节解释：

首先主线程使用pthread_key_create(&tls_key, NULL)创建一个线程私有变量tls_key，然后使用语句pthread_create(&ptid1, NULL, &thread_func1, NULL)和pthread_create(&ptid2, NULL, &thread_func2, NULL)创建两个线程，线程函数分别为thread_func1和thread_func2，在线程函数thread_func1中：

static void *thread_func1(void *args)
{
    struct msg_struct1 ptr[5]; /* local variable in thread stacke */
    printf("thread_func1: tid = %ld   ptr = %p\n", gettid(), ptr);

    pthread_setspecific(tls_key, ptr); /* binding ptr to the tls_key */

    sprintf(ptr[0].stuno, "18000001");
    sprintf(ptr[0].stuname, "Alex");
    sprintf(ptr[4].stuno, "18000005");
    sprintf(ptr[4].stuname, "Michael");
    print_msg1();

    pthread_exit(0);
}

首先打印当前线程号和线程栈区的临时的struct msg_struct1类型的数组变量ptr的首地址，然后使用语句pthread_setspecific(tls_key, ptr)将这个线程中的tls_key与ptr绑定，然后设置这个线程中的ptr[0]的学生学号stuno和姓名stuname分别设置为18000001和Alex,ptr[4]的学生学号和姓名分别设置为18000005和Michael，然后使用语句print_msg1()首先通过pthread_getspecific()获取与线程私有变量tls_key绑定的ptr，然后打印当前线程的线程号和ptr数组的首地址，然后循环5次，间隔随机时间打印当前线程号，i的值（从1到5），ptr[i]中的学生学号stuno和学生姓名stuname。

在线程函数thread_func2中：

static void *thread_func2(void *args)
{
    struct msg_struct2 *ptr;
    ptr = (struct msg_struct2 *)malloc(5*sizeof(struct msg_struct2)); /* storage in process heap */
    printf("thread_func2: tid = %ld   ptr = %p\n", gettid(), ptr); 

    pthread_setspecific(tls_key, ptr);

    ptr->stuno = 19000001;
    sprintf(ptr->stuname, "Bob");
    sprintf(ptr->nationality, "United Kingdom");
    (ptr+2)->stuno = 19000003;
    sprintf((ptr+2)->stuname, "John");
    sprintf((ptr+2)->nationality, "United States");
    print_msg2();

    free(ptr);
    ptr = NULL;

    pthread_exit(0);
}

首先打印当前线程号和线程堆区的动态申请内存的struct msg_struct2 *类型的指针变量ptr的地址，然后使用语句pthread_setspecific(tls_key, ptr)将这个线程中的tls_key与ptr绑定，然后设置这个线程中的ptr指向的学生学号stuno、姓名stuname和国籍nationality分别设置为19000001、Bob和United Kingdom,ptr+2指向的学生学号和姓名分别设置为19000003、John和United States，然后使用语句print_msg2()首先通过pthread_getspecific()获取与线程私有变量tls_key绑定的ptr，然后打印当前线程的线程号和ptr指针的地址，然后循环5次，间隔随机时间打印当前线程号，i的值（从1到5），ptr[i]中的学生学号stuno、学生姓名stuname和学生国籍nationality。

回到主线程中， 使用pthread_join()函数使主线程等待连个子线程结束后再运行，子线程全部结束后，使用语句pthread_key_delete(tls_key)释放tls_key的内存空间，然后返回。

• 验证实验alg.14-4-tls-pthread-key-3.c

执行程序命令：

gcc alg.14-4-tls-pthread-key-3.c -pthread
./a.out

分析：

相比之前一个程序alg.14-3-tls-pthread-key-2，这个程序的两个线程没有分别调用print_msg1()和print_msg2()函数，而是调用了同一个print_msg()函数，可以看到，两个线程的print_msg()函数打印出线程号和ptr首地址不同，说明同一个print_msg()函数分别有两个线程各自ptr变量的数据副本。

实现细节解释：

与之前一个程序alg.14-3-tls-pthread-key-2相比，这个程序的第二个线程运行函数thread_func2()的ptr由之前的动态内存分配处于堆区变成了临时数组变量处于栈区，两个线程也没有分别调用print_msg1()和print_msg2()函数，而是调用了同一个print_msg()函数，这个print_msg()和之前print_msg1()函数与print_msg2()函数的作用基本相同。

• 验证实验alg.14-5-tls-pthread-key-4.c

执行程序命令：

gcc alg.14-5-tls-pthread-key-4.c -pthread
./a.out

分析：

可以看到，无论与线程私有变量绑定的变量是否有效，数据是否丢失，线程私有变量都可以继续工作。

可以看到，在创建的子线程中调用的函数中将线程栈区的临时变量与线程私有变量绑定时，函数返回时栈区会被释放，在子进程中想打印与线程私有变量绑定的栈区变量时数据会发生丢失，产生乱码，因为栈区数据已经释放掉了。

而在创建的子线程中调用的函数中将线程堆区的动态内存分配的变量与线程私有变量绑定时，函数返回时堆区数据如果不调用free()函数则不会被释放，在子进程中想打印与线程私有变量绑定的堆区变量时数据不会丢失，可以正常打印，这也提醒我们如果不及时释放内存会导致内存泄露。

实现细节解释：

与之前的程序alg.14-3-tls-pthread-key-2相比，这个程序的主线程中只创建了一个子线程，线程函数为：

static void *thread_func(void *args)
{
    struct msg_struct *ptr;

    thread_data1();
    ptr = (struct msg_struct *)pthread_getspecific(tls_key); /* get ptr from thread_data1() */
    perror("pthread_getspecific()");
    printf("ptr from thread_data1() in thread_func(): %p\n", ptr);
    for (int i = 1; i < 6; i++) {
        printf("tid = %ld  i = %2d   %s  %*.*s\n", gettid(), i, (ptr+i-1)->stuno, 8, 8, (ptr+i-1)->stuname);
    }

    thread_data2();
    ptr = (struct msg_struct *)pthread_getspecific(tls_key); /* get ptr from thread_data2() */
    perror("pthread_getspecific()");
    printf("ptr from thread_data2() in thread_func(): %p\n", ptr);
    for (int i = 1; i < 6; i++) {
        printf("tid = %ld  i = %2d   %s  %*.*s\n", gettid(), i, (ptr+i-1)->stuno, 8, 8, (ptr+i-1)->stuname);
    }

    free(ptr);
    ptr = NULL;

    pthread_exit(0);
}

在这个线程函数中，和之前的程序在创建的子线程中设置线程私有变量tls_key的值不同，这个程序在创建的子线程中调用函数在这个函数中设置线程私有变量tls_key的值。

首先程序运行了相当于alg.14-3中的thread_func1()函数作用的thread_data1()函数，在函数中将栈区的临时数组变量ptr和线程私有变量tls_key绑定，但是由于线程栈区在函数返回时会被释放，所以回到子线程中运行和之前print_msg1()函数作用相同的代码块时，会发现和线程私有变量tls_key绑定的ptr发生了丢失，产生许多乱码，因为ptr已经被释放掉了。

运行了相当于alg.14-3中的thread_func2()函数作用的thread_data2()函数，在函数中将堆区的动态内存分配的指针变量ptr和线程私有变量tls_key绑定，但是由于线程堆区的变量在函数返回时如果没有调用free()函数就不会被释放，所以回到子线程中运行和之前print_msg2()函数作用相同的代码块时，会发现和线程私有变量tls_key绑定的ptr没有丢失，可以正常打印数据。

Linux clone()

• Linux提供fork()和vfork()系统调用，具有复制进程的传统功能。Linux还提供了使用clone()系统调用创建线程的能力。

  • 事实上，Linux在提到程序中的控制流时使用的是术语“任务”，而不是“进程”或“线程”。它不区分进程和线程。

  • 带有一组标志的clone()允许子任务共享父任务的一些资源。这些标志确定父任务和子任务之间要进行多少共享。

  • 如果在调用clone()时没有设置这些标志，则不会发生共享，这类似于fork()系统调用提供的共享。

    标志	含义
    CLONE_FS	共享文件系统信息
    CLONE_VM	共享相同的内存空间
    CLONE_SIGHAND	共享信号处理程序
    CLONE_FILES	共享一组打开的文件

int clone(int (*fn)(void *), void *child_stack, int flags, void *arg);

clone()函数可以用来创建线程，其中第一个参数fn是函数指针，指向线程要执行的函数，第二个参数child_stack是为子线程分配的系统堆栈空间，指定子线程使用的堆栈的位置，第三个参数flags为复制资源的标志，用来表示子线程需要继承哪些资源，第四个参数arg是传给子进程的参数。

• 验证实验alg.14-6-clone-demo.c

执行程序命令：

gcc alg.14-6-clone-demo.c -pthread
./a.out

分析：

可以看到，最后parent read buf中buf中的内容没有被子线程改变，说明每一个线程或进程（任务）都有它的不同内存空间。

主线程等待它创建的任意一个子线程执行结束后再和另外一个子线程异步执行，因为只有一个子线程返回主线程就继续执行然后结束了，所以可以看到线程号为40706的子线程成为了僵尸线程。

若编译指令：

./a.out vm

那么flag选项设置CLONE_VM，父进程和子进程运行时会共享相同的内存空间。

可以看到，最后parent read buf中buf中的内容被子线程改变，说明每个线程或进程（任务）共享相同的内存空间。

主线程先等待和它创建的任意一个子线程结束，然后跟另一个子线程异步执行。

若编译指令：

./a.out vm vfork

那么flag选项设置CLONE_VFORK，那么父进程会被挂起，直到子进程释放虚拟内存资源才继续运行。

可以看到，主线程被挂起，直到子线程结束后再继续执行。

实现细节解释：

一开始动态内存申请两个大小为STACK_SIZE的char类型指针stack1和stack2，初始化标志变量flag为0，如果传入的第一个参数为vm，那么设置flag为flags | CLONE_VM，代表可以父进程和子进程运行时共享相同的内存空间，如果传入的第二个参数为vfork，那么设置flag为flags | CLONE_VFORK，代表运行时父进程被挂起，直到子进程释放虚拟内存资源。

然后打印父进程的进程号和语句parrent clone ...，表示准备要使用clone()函数了。接着使用语句clone(child_func1, stack1 + STACK_SIZE, flags | SIGCHLD, buf)创建一个子线程并把返回值即创建的线程的线程号赋给变量chdtid1，其中第一个参数child_func1是线程执行函数，第二个参数stack1 + STACK_SIZE是子线程使用的系统堆栈的栈顶位置，第三个参数flags | SIGCHLD代表设置子线程从主线程继承的资源，同时SIGCHLD代表在子线程终止时，向主线程发送信号，第四个参数buf是向子线程传送的参数。这里是说明主线程的线程号的一条语句。

在线程运行函数child_func1()中：

static int child_func1(void *arg)
{
    char *chdbuf = (char*)arg; /* type casting */
    printf("child_func1 read buf: %s\n", chdbuf);
    sleep(1);
    sprintf(chdbuf, "I am child_func1, my tid = %ld, pid = %d", gettid(), getpid());
    printf("child_func1 set buf: %s\n", chdbuf);
    sleep(1);
    printf("child_func1 sleeping and then exists ...\n");
    sleep(1);

    return 0;
}

首先打印传递进的字符串的参数的内容，接着休眠1s，打印子线程的线程号和进程号，然后休眠1s，打印语句child_func1 sleeping and then exists ...，然后结束。

回到主线程中， 然后使用语句clone(child_func2, stack2 + STACK_SIZE, flags | SIGCHLD, buf)创建一个子线程并把返回值即创建的线程的线程号赋给变量chdtid2，线程执行函数child_func2()和之前的child_func1()的作用差不多。

接着使用waitpid(-1, &status, 0) == -1让主线程等待任意一个子线程结束后再继续执行，参数-1表示不等待某个特定的子进程而是回收任意一个子进程，参数0表示以默认的阻塞方式来进行等待任意一个子线程结束然后继续执行。

休眠1s，打印父进程的进程号，系统调用语句ps显示当前进程状态。

• 验证实验alg.14-7-clone-stack.c

执行程序命令：

gcc alg.14-7-clone-stack.c -pthread
./a.out

分析：

可以看到，在实验环境下使用clone()函数创建出的子线程递归调用可以使用栈空间的上限递归次数为732605，514288 *4096-1936125 *1024 = 123931648‬，123931648‬/1936125 = 64(字节), 说明每次递归的实验环境系统开销大概是64字节。

实现细节解释：

一开始动态内存申请一个大小为STACK_SIZE的char类型指针stack，初始化标志变量flag为0。

接着使用语句clone(test, stack + STACK_SIZE, flags | SIGCHLD, buf)创建一个子线程并把返回值即创建的线程的线程号赋给变量chdtid，在线程运行函数test()中：

static int test(void *arg)
{ 
    static int i = 0;
    char buffer[1024]; 
    if(i == 0) {
        printf("test: my ptd = %d, tid = %ld, ppid = %d\n", getpid(), gettid(), getppid());
        printf("\niteration = %8d", i); 
    }
    printf("\b\b\b\b\b\b\b\b%8d", i); 
    i++; 
    test(arg); /* recursive calling */
} 

首先初始化静态变量i为0，然后如果i为0，那么打印子线程的进程号、线程号、父进程号和迭代次数即i的值，退出判断语句，打印i的值，使i自增，最后使用test(arg)语句递归调用test()函数。

打印传递进的字符串的参数的内容，接着休眠1s，打印子线程的线程号和进程号，然后休眠1s，打印语句child_func1 sleeping and then exists ...，然后结束。

回到主线程中， 打印父进程的进程号和子线程的线程号，接着使用waitpid(-1, &status, 0) == -1让主线程等待任意一个子线程结束后再继续执行，并把返回的子线程的线程号赋给变量ret。

休眠2s，打印父进程的进程号和返回的子线程的线程号。

比较 pthread 和 clone() 线程实现机制的异同 不同点

pthread实现机制是基于用户级线程的，在用户空间运行线程库，线程库完成线程的创建、消息传递等 *** 作，内核感知不到用户线程的存在，此时以进程为单位，管理进程的执行状态。

因为pthread创建出的线程是用户线程，所以可以跨 *** 作系统运行，不需要切换到内核模式就可以完成线程的切换，节省开销和内核资源。但是在 *** 作系统调度进程时，因为每个进程只有一个创建出来的线程可以执行，所以这个线程阻塞就会使整个进程阻塞，只能使用非内核调度自己实现的调度算法来实现这个线程。

clone() 实现机制是基于轻量级进程（LWP）的，LWP是内核支持的用户线程，进行建立线程等 *** 作时，内核可以感知用户线程的存在，并且进行调度。

每个LWP都是独立的线程调度单元，和特定的内核线程相联系，具有部分内核线程的特点，会消耗内核栈空间，进行系统调度时需要在内核线程和用户线程之间切换，系统调用的代价较高，所以一个系统不能支持大量LWP，但是因为每个LWP是独立的线程调度单元，所以在 *** 作系统调度进程时，即使创建出来的LWP被阻塞，不会影响整个进程的执行。

相同点

在Linux系统中，由于并没有进程线程的区分，统一称为任务，所以pthread中创建线程的pthread_create()函数，内部使用的也是clone()函数，为clone()函数设置特定标志后，实现了pthread_create()。

对 clone() 的 flags 采用不同的配置，设计测试程序讨论其结果

• 配置包括 CLONE_PARENT, CLONE_VM, CLONE_VFORK, CLONE_FILES, CLONE_SIGHAND, CLONE_NEWIPC, CLONE_THREAD

标志	含义
CLONE_PARENT	子进程和调用者共享父进程
CLONE_VM	共享内存空间
CLONE_VFORK	运行时父进程被挂起，直至子进程释放内存资源
CLONE_FILES	共享文件描述符表
CLONE_SIGHAND	共享信号处理表
CLONE_NEWIPC	子进程使用新的IPC命名空间
CLONE_THREAD	共享线程群

在文件alg.14-6-clone-demo.c中，已经测试了参数CLONE_VM和CLONE_VFORK的作用，所以设计程序时，参照了文件alg.14-6-clone-demo.c的部分内容。

• 测试参数CLONE_PARENT

子线程执行函数：

// 测试参数CLONE_PARENT所用到的子线程执行函数
static int CLONE_PARENT_func(void *arg) {
    // 打印子线程的线程号、进程号、父进程号
    printf("I am CLONE_PARENT_func, my tid = %ld, pid = %d, ppid = %d\n", gettid(), getpid(), getppid());
    
    return 0;
}

主函数中的测试代码：

// 测试参数CLONE_PARENT
printf("------------------------------------------------------------------\n");
// 设置参数CLONE_PARENT前
printf("Before set flags to CLONE_PARENT\n");
// 设置参数为0
flags = 0;
printf("Result:\n");
chdtid_CLONE_PARENT = clone(CLONE_PARENT_func, stack_CLONE_PARENT + STACK_SIZE, flags | SIGCHLD, NULL);
if(chdtid_CLONE_PARENT == -1) {
    perror("CLONE_PARENT before:clone()");
    exit(1);
}
// 打印主线程的进程号和父进程号
printf("I am main thread, my pid = %d, my ppid = %d\n", getpid(), getppid());
// 休眠1s以便子线程结束
sleep(1);
printf("\n");

// 设置参数CLONE_PARENT后
printf("After set flags to CLONE_PARENT\n");
// 设置参数为CLONE_PARENT
flags |= CLONE_PARENT;
printf("Result:\n");
chdtid_CLONE_PARENT = clone(CLONE_PARENT_func, stack_CLONE_PARENT + STACK_SIZE, flags | SIGCHLD, NULL);
if(chdtid_CLONE_PARENT == -1) {
    perror("CLONE_PARENT after:clone()");
    exit(1);
}
// 打印主线程的进程号和父进程号
printf("I am main thread, my pid = %d, my ppid = %d\n", getpid(), getppid());
// 休眠1s以便子线程结束
sleep(1);
printf("------------------------------------------------------------------\n\n");

分析：

可以看到，在没有设置参数时，主线程的线程号是81752，子线程的父进程的线程号是81752，说明子线程的父进程是创建它的主线程。

在设置了参数之后，主线程的父进程的线程号是79440，子线程的父进程的线程号是81572，说明子线程的父进程也是创建它的主线程的父进程，子线程和主线程是“兄弟”关系，共享同一个父进程。

• 测试参数CLONE_VM

子线程执行函数：

// 测试参数CLONE_VM所用到的子线程执行函数
static int CLONE_VM_func(void *arg) {
    // 获取主线程传来的缓冲区参数buf
    char *chdbuf = (char*)arg;
    printf("CLONE_VM_func read buf: %s\n", chdbuf);
    sleep(1);
    // 设置缓冲区buf中的内容为子线程的信息
    sprintf(chdbuf, "I am CLONE_VM_func, my tid = %ld, pid = %d", gettid(), getpid());
    printf("CLONE_VM_func set buf: %s\n", chdbuf);
    sleep(1);
    // 子线程退出
    printf("CLONE_VM_func sleeping and then exists ...\n");
    sleep(1);

    return 0;
}

主函数中的测试代码：

// 测试参数CLONE_VM
printf("------------------------------------------------------------------\n");
printf("Before set flags to CLONE_VM\n");
// 设置参数为0
flags = 0;
printf("Result:\n");
// 设置缓冲区buf中的内容为主线程的信息
sprintf(buf,"I am main thread, my pid = %d", getpid());
printf("main thread set buf: %s\n", buf);
sleep(1);
printf("parent clone ...\n");
chdtid_CLONE_VM = clone(CLONE_VM_func, stack_CLONE_VM + STACK_SIZE, flags | SIGCHLD, buf);
if(chdtid_CLONE_VM == -1) {
    perror("CLONE_VM before:clone()");
    exit(1);
}
// 等待子线程执行完后主线程再继续执行，测试子线程改变了缓冲区buf的内容是否会影响到主线程
waitpid(chdtid_CLONE_VM, &status, 0);
// 打印此时缓冲区buf中的内容
printf("parent read buf: %s\n", buf);
printf("\n");

printf("After set flags to CLONE_VM\n");
// 设置参数为CLONE_VM
flags |= CLONE_VM;
printf("Result:\n");
// 设置缓冲区buf中的内容为主线程的信息
sprintf(buf,"I am main thread, my pid = %d", getpid());
printf("main thread set buf: %s\n", buf);
sleep(1);
printf("parent clone ...\n");
chdtid_CLONE_VM = clone(CLONE_VM_func, stack_CLONE_VM + STACK_SIZE, flags | SIGCHLD, buf);
if(chdtid_CLONE_VM == -1) {
    perror("CLONE_VM after:clone()");
    exit(1);
}
// 等待子线程执行完后主线程再继续执行，测试子线程改变了缓冲区buf的内容是否会影响到主线程
waitpid(chdtid_CLONE_VM, &status, 0);
// 打印此时缓冲区buf中的内容
printf("parent read buf: %s\n", buf);
printf("------------------------------------------------------------------\n\n");

分析：

可以看到，在没有设置参数时，在主线程设置了缓冲区buf里的内容之后，即使子线程在线程执行函数中也修改了缓冲区buf中的内容，但是回到主线程后，缓冲区buf中的内容仍为之前主线程设置的内容。

在设置了参数之后，在主线程设置了缓冲区buf里的内容之后，子线程在线程执行函数中也修改了缓冲区buf中的内容，回到主线程后，缓冲区buf中的内容变成了子线程设置的内容。

说明设置参数后，子线程和主线程在运行时共享内存空间。

• 测试参数CLONE_VFORK

子线程执行函数：

// 测试参数CLONE_VFORK所用到的子线程执行函数
static int CLONE_VFORK_func(void *arg) {
    printf("I am CLONE_VFORK_func, my tid = %ld, pid = %d\n", gettid(), getpid());
    printf("CLONE_VFORK_func sleeping 3s and then exists ...\n");
    // 休眠3s，如果主线程与子线程异步执行，那么主线程有足够时间在这期间继续执行，否则主线程会等待子线程执行完再继续执行
    sleep(3);
    // 标志子线程执行完退出
    printf("CLONE_VFORK_func exists successfully!\n");

    return 0;
}

主函数中的测试代码：

// 测试参数CLONE_VFORK
printf("------------------------------------------------------------------\n");
printf("Before set flags to CLONE_VFORK\n");
// 设置参数为0
flags = 0;
printf("Result:\n");
chdtid_CLONE_VFORK = clone(CLONE_VFORK_func, stack_CLONE_VFORK + STACK_SIZE, flags | SIGCHLD, buf);
if(chdtid_CLONE_VFORK == -1) {
    perror("CLONE_VFORK before:clone()");
    exit(1);
}
// 在waitpid()函数之前打印主线程的信息，观察主线程是否会等待子线程执行完后再执行
printf("I am main thread, my pid = %d\n", getpid());
waitpid(chdtid_CLONE_VFORK, &status, 0);
printf("\n");

printf("After set flags to CLONE_VFORK\n");
// 设置参数为CLONE_VFORK
flags |= CLONE_VFORK;
printf("Result:\n");
chdtid_CLONE_VFORK = clone(CLONE_VFORK_func, stack_CLONE_VFORK + STACK_SIZE, flags | SIGCHLD, buf);
if(chdtid_CLONE_VFORK == -1) {
    perror("CLONE_VFORK after:clone()");
    exit(1);
}
// 在waitpid()函数之前打印主线程的信息，观察主线程是否会等待子线程执行完后再执行
printf("I am main thread, my pid = %d\n", getpid());
waitpid(chdtid_CLONE_VFORK, &status, 0);
printf("------------------------------------------------------------------\n\n");

分析：

可以看到，在没有设置参数时，子线程和主线程异步执行，打印主线程信息的语句在子线程还未执行完就直接执行。

在设置了参数之后，主线程被挂起，直到子线程终止后再继续执行，即使子线程休眠了3s，主线程也未执行打印语句，直到子线程退出后，主线程才继续执行，打印了主线程信息语句。

说明设置参数后，主线程被挂起，直到子线程执行完释放资源后再继续执行。

• 测试参数CLONE_FILES

子线程执行函数：

// 测试参数CLONE_FILES所用到的子线程执行函数
static int CLONE_FILES_func(void *arg) {
    // 获取主线程传来的文件描述符
    int *numptr = (int *)arg;
    int fd = *numptr;
    
    // 设置文件的FD_CLOEXEC参数为1
    fcntl(fd, F_SETFD, 1);
    printf("I am CLONE_FILES_func, my tid = %ld, pid = %d, ppid = %d\n", gettid(), getpid(), getppid());
    printf("CLONE_FILES_func sets the FD_COLEXEC of fd to %d\n", fcntl(fd, F_GETFD));
    
    return 0;
}

主函数中的测试代码：

// 测试参数CLONE_FILES
printf("------------------------------------------------------------------\n");
printf("Before set flags to CLONE_FILES\n");
int fd = open("./test.txt", O_RDWR | O_CREAT, 0666);
if (fd < 0) {
    perror("CLONE_FILES:open()");
    exit(EXIT_FAILURE);
}

// 设置参数为0
flags = 0;
printf("Result:\n");
// 设置文件的FD_CLOEXEC参数为0
fcntl(fd, F_SETFD, 0);
printf("I am main thread, my pid = %d, my ppid = %d\n", getpid(), getppid());
printf("In the beginning, main thread sets the FD_COLEXEC of fd to %d\n\n", fcntl(fd, F_GETFD));

chdtid_CLONE_FILES = clone(CLONE_FILES_func, stack_CLONE_FILES + STACK_SIZE, flags | SIGCHLD, &fd);
if(chdtid_CLONE_FILES == -1) {
    perror("CLONE_FILES before:clone()");
    exit(1);
}

// 等待子线程执行完后主线程再继续执行，测试子线程改变了文件的FD_CLOEXEC参数是否会影响到主线程
waitpid(chdtid_CLONE_FILES, &status, 0);
// 查看文件的FD_CLOEXEC参数
printf("\nIn the last, the FD_COLEXEC of fd in main thread is %d\n\n\n", fcntl(fd, F_GETFD));

printf("After set flags to CLONE_FILES\n");
// 设置参数为CLONE_FILES
flags |= CLONE_FILES;
printf("Result:\n");
// 设置文件的FD_CLOEXEC参数为0
fcntl(fd, F_SETFD, 0);
printf("I am main thread, my pid = %d, my ppid = %d\n", getpid(), getppid());
printf("In the beginning, main thread sets the FD_COLEXEC of fd to %d\n\n", fcntl(fd, F_GETFD));

chdtid_CLONE_FILES = clone(CLONE_FILES_func, stack_CLONE_FILES + STACK_SIZE, flags | SIGCHLD, &fd);
if(chdtid_CLONE_FILES == -1) {
    perror("CLONE_FILES after:clone()");
    exit(1);
}

// 等待子线程执行完后主线程再继续执行，测试子线程改变了文件的FD_CLOEXEC参数是否会影响到主线程
waitpid(chdtid_CLONE_FILES, &status, 0);
// 查看文件的FD_CLOEXEC参数
printf("\nIn the last, the FD_COLEXEC of fd in main thread is %d\n", fcntl(fd, F_GETFD));
printf("------------------------------------------------------------------\n\n");

分析：

可以看到，在没有设置参数时，一开始，主线程先设置文件的FD_CLOEXEC文件描述符标志为0，然后子线程设置文件的FD_CLOEXEC文件描述符标志为1，最后在主线程中，查看文件的FD_CLOEXEC文件描述符标志，发现为0，说明子线程和主线程并不共享文件描述符表。

在设置了参数之后，一开始，主线程先设置文件的FD_CLOEXEC文件描述符标志为0，然后子线程设置文件的FD_CLOEXEC文件描述符标志为1，最后在主线程中，查看文件的FD_CLOEXEC文件描述符标志，发现为1，说明子线程和主线程共享文件描述符表。

• 测试参数CLONE_SIGHAND

信号处理函数：

// 主线程中的信号处理函数
void main_thread_handler(int signo) {
    printf("\nThis is main_thread_handler");
    printf("\nsignal catched: signo = %d\n", signo);
    
    return;
}

// 子线程中的信号处理函数
void CLONE_SIGHAND_handler(int signo) {
    printf("\nThis is CLONE_SIGHAND_handler");
    printf("\nsignal catched: signo = %d\n", signo);
    
    return;
}

子线程执行函数：

// 测试参数CLONE_SIGHAND所用到的子线程执行函数
static int CLONE_SIGHAND_func(void *arg) {
    // 设置捕捉到Ctrl+C信号的信号处理函数为CLONE_SIGHAND_handler
    signal(SIGINT, CLONE_SIGHAND_handler);
    printf("I am CLONE_SIGHAND_func, my tid = %ld, pid = %d, ppid = %d\n", gettid(), getpid(), getppid());
    printf("CLONE_SIGHAND_func set CLONE_SIGHAND_handler\n\n");

    return 0;
}

主函数中的测试代码：

// 测试参数CLONE_SIGHAND
printf("------------------------------------------------------------------\n");
printf("Before set flags to CLONE_SIGHAND\n");
// 设置参数为0
flags = 0;

printf("Result:\n");
printf("I am main thread, my pid = %d, my ppid = %d\n", getpid(), getppid());
printf("In the beginning, main thread set main_thread_handler\n\n");
// 设置捕捉到Ctrl+C信号的信号处理函数为main_thread_handler
signal(SIGINT, main_thread_handler);
// 从linux 2.6.0开始，当指定CLONE_SIGHAND后，必须也指定CLONE_VM
chdtid_CLONE_SIGHAND = clone(CLONE_SIGHAND_func, stack_CLONE_SIGHAND + STACK_SIZE, flags | CLONE_VM | SIGCHLD, NULL);
if(chdtid_CLONE_SIGHAND == -1) {
    perror("CLONE_SIGHAND before:clone()");
    exit(1);
}

// 等待子线程执行完后主线程再继续执行，测试子线程改变了捕捉到Ctrl+C信号的信号处理函数是否会影响到主线程
waitpid(chdtid_CLONE_SIGHAND, &status, 0);

// 休眠100s，便于输入Ctrl+C信号，输入后信号处理完毕后主线程继续执行
printf("now start catching Ctrl+c\n");
sleep(100);

printf("\n");

printf("After set flags to CLONE_SIGHAND\n");
// 设置参数为CLONE_SIGHAND
flags |= CLONE_SIGHAND;

printf("Result:\n");
printf("I am main thread, my pid = %d, my ppid = %d\n", getpid(), getppid());
printf("In the beginning, main thread set main_thread_handler\n\n");
// 设置捕捉到Ctrl+C信号的信号处理函数为main_thread_handler
signal(SIGINT, main_thread_handler);
// 从linux 2.6.0开始，当指定CLONE_SIGHAND后，必须也指定CLONE_VM
chdtid_CLONE_SIGHAND = clone(CLONE_SIGHAND_func, stack_CLONE_SIGHAND + STACK_SIZE, flags | CLONE_VM | SIGCHLD, NULL);
if(chdtid_CLONE_SIGHAND == -1) {
    perror("CLONE_SIGHAND before:clone()");
    exit(1);
}

// 等待子线程执行完后主线程再继续执行，测试子线程改变了捕捉到Ctrl+C信号的信号处理函数是否会影响到主线程
waitpid(chdtid_CLONE_SIGHAND, &status, 0);

// 休眠100s，便于输入Ctrl+C信号，输入后信号处理完毕后主线程继续执行
printf("now start catching Ctrl+c\n");
sleep(100);

printf("------------------------------------------------------------------\n\n");

分析：

可以看到，在没有设置参数时，一开始，主线程先设置捕捉到Ctrl+C信号后的信号处理函数为main_thread_handler，然后子线程设置捕捉到Ctrl+C信号后的信号处理函数为CLONE_SIGHAND_handler，最后在主线程中，运行程序准备捕捉Ctrl+C信号，捕捉到后发现信号处理函数为main_thread_handler，说明子线程和主线程并不共享信号处理表。

在设置了参数之后，一开始，主线程先设置捕捉到Ctrl+C信号后的信号处理函数为main_thread_handler，然后子线程设置捕捉到Ctrl+C信号后的信号处理函数为CLONE_SIGHAND_handler，最后在主线程中，运行程序准备捕捉Ctrl+C信号，捕捉到后发现信号处理函数为CLONE_SIGHAND_handler，说明子线程和主线程共享信号处理表。

• 测试参数CLONE_NEWIPC

子线程执行函数：

// 测试参数CLONE_NEWIPC所用到的子线程执行函数
static int CLONE_NEWIPC_func(void *arg) {
    // 查看线程所处的IPC命名空间的消息队列的信息
    printf("Message Queues in CLONE_NEWIPC_func:\n");
    system("ipcs -q");
    
    return 0;
}

主函数中的测试代码：

// 测试参数CLONE_NEWIPC
printf("------------------------------------------------------------------\n");
// 首先在主线程中创建一个消息队列
printf("First create a message queue in main thread\n\n");
char pathname[10] = {"./test"};
struct stat fileattr;
key_t key;
int msqid;
if(stat(pathname, &fileattr) == -1) {
    ret = creat(pathname, O_RDWR);
    if (ret == -1) {
        ERR_EXIT("CLONE_NEWIPC: creat()");
    }
    printf("shared file object created\n");
}

key = ftok(pathname, 0x27);
if(key < 0) {
    ERR_EXIT("ftok()");
}

msqid = msgget((key_t)key, 0666 | IPC_CREAT);
if(msqid == -1) {
    ERR_EXIT("msgget()");
}

printf("Before set flags to CLONE_NEWIPC\n");
// 设置参数为0
flags = 0;
printf("Result:\n\n");

// 查看主线程的IPC命名空间中消息队列的情况
printf("Command: ipcs -q\n\n");
printf("Message Queues in main thread:\n");
system("ipcs -q");
chdtid_CLONE_NEWIPC = clone(CLONE_NEWIPC_func, stack_CLONE_NEWIPC + STACK_SIZE, flags | SIGCHLD, NULL);
if(chdtid_CLONE_NEWIPC == -1) {
    perror("CLONE_NEWIPC before:clone()");
    exit(1);
}
// 等待子线程执行完后主线程再继续执行，测试子线程的命名空间是否和主线程一样
waitpid(chdtid_CLONE_NEWIPC, &status, 0);
printf("\n");

printf("After set flags to CLONE_NEWIPC\n");
// 设置参数为CLONE_NEWIPC
flags |= CLONE_NEWIPC;
printf("Result:\n\n");

// 查看主线程的IPC命名空间中消息队列的情况
printf("Command: ipcs -q\n\n");
printf("Message Queues in main thread:\n");
system("ipcs -q");
chdtid_CLONE_NEWIPC = clone(CLONE_NEWIPC_func, stack_CLONE_NEWIPC + STACK_SIZE, flags | SIGCHLD, NULL);
if(chdtid_CLONE_NEWIPC == -1) {
    perror("CLONE_NEWIPC after:clone()");
    exit(1);
}
// 等待子线程执行完后主线程再继续执行，测试子线程改变了捕捉到Ctrl+C信号的信号处理函数是否会影响到主线程
waitpid(chdtid_CLONE_NEWIPC, &status, 0);

// 删除之前创建的消息队列
sprintf(buf, "ipcrm -q %d", msqid);
printf("Command: %s\n", buf);
system(buf);
printf("------------------------------------------------------------------\n\n");

分析：

可以看到，首先创建一个消息队列，在没有设置参数时，在主线程和子线程中分别查看线程所处的IPC命名空间中的消息队列情况，发现主线程和子线程所处的IPC命名空间中消息队列的情况一样，说明主线程和子线程处在同一个IPC命名空间中。

在设置了参数之后，，在主线程和子线程中分别查看线程所处的IPC命名空间中的消息队列情况，发现主线程和子线程所处的IPC命名空间中消息队列的情况不一样，子线程的IPC命名空间中没有消息队列，说明主线程和子线程不处在同一个IPC命名空间中，子线程和主线程隔离。

• 测试参数CLONE_THREAD

子线程执行函数：

// 测试参数CLONE_THREAD所用到的子线程执行函数
static int CLONE_THREAD_func(void *arg) {
    // 打印子线程的线程号、进程号、父进程号
    printf("I am CLONE_THREADs_func, my tid = %ld, pid = %d, ppid = %d\n", gettid(), getpid(), getppid());

    return 0;
}

主函数中的测试代码：

// 测试参数CLONE_THREAD
printf("------------------------------------------------------------------\n");
printf("Before set flags to CLONE_THREAD\n");
// 设置参数为0
flags = 0;
printf("Result:\n");
// 从Linux 2.5.35开始，如果指定了CLONE_THREAD，则必须同时指定CLONE_SIGHAND。而从Linux 2.6.0开始，指定CLONE_SIGHAND的同时也必须指定CLONE_VM
chdtid_CLONE_THREAD = clone(CLONE_THREAD_func, stack_CLONE_THREAD + STACK_SIZE, flags | CLONE_VM | CLONE_SIGHAND | SIGCHLD, NULL);
if(chdtid_CLONE_THREAD == -1) {
    perror("CLONE_THREAD before:clone()");
    exit(1);
}
// 打印主线程的进程号和父进程号
printf("I am main thread, my pid = %d, my ppid = %d\n", getpid(), getppid());
// 休眠1s以便子线程结束
sleep(1);
printf("\n");

printf("After set flags to CLONE_THREAD\n");
// 设置参数为CLONE_THREAD
flags |= CLONE_THREAD;
printf("Result:\n");
// 从Linux 2.5.35开始，如果指定了CLONE_THREAD，则必须同时指定CLONE_SIGHAND。而从Linux 2.6.0开始，指定CLONE_SIGHAND的同时也必须指定CLONE_VM
chdtid_CLONE_THREAD = clone(CLONE_THREAD_func, stack_CLONE_THREAD + STACK_SIZE, flags | CLONE_VM | CLONE_SIGHAND | SIGCHLD, NULL);
if(chdtid_CLONE_THREAD == -1) {
    perror("CLONE_THREAD after:clone()");
    exit(1);
}
// 打印主线程的进程号和父进程号
printf("I am main thread, my pid = %d, my ppid = %d\n", getpid(), getppid());
// 休眠1s以便子线程结束
sleep(1);
printf("------------------------------------------------------------------\n\n");

分析：

可以看到，在没有设置参数时，主线程的线程号是81752，子线程的父进程的线程号是81752，说明子线程的父进程是创建它的主线程。

在设置了参数之后，主线程的父进程的线程号是79440，子线程的父进程的线程号是81572，说明子线程的父进程也是创建它的主线程的父进程，子线程和主线程是“兄弟”关系，共享线程群。